一、前言
果蔬飲品是以果汁、蔬菜汁為原料，經(jīng)過(guò)調(diào)配加工，制成各種口味的飲料。隨著生活的提高，人們對(duì)飲料的要求（包括營(yíng)養(yǎng)、美味和健康等方面的要求）也越來(lái)越高。因此，越來(lái)月的越多的手工調(diào)配罐被全自動(dòng)的機(jī)械調(diào)配裝置所替代。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適應(yīng)市場(chǎng)的需求，對(duì)調(diào)配設(shè)備的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高。本文介紹一個(gè)以軟PLC 為主站、S7-200 系列的PLC 為從站的全自動(dòng)果蔬飲品控制系統(tǒng)，是西門子WinAC（視窗自動(dòng)化中心）和Profibus-DP（分散外圍設(shè)備的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）在食品飲料加工設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用。
二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1、控制對(duì)象
該系統(tǒng)由三部分組成：調(diào)配系統(tǒng)、原料系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)。
�。�1）調(diào)配系統(tǒng)：為飲料成品的調(diào)配系統(tǒng)，共有三組組成，即1#調(diào)配系統(tǒng)、2#調(diào)配系統(tǒng)、3#調(diào)配系統(tǒng)。三組調(diào)配系統(tǒng)具有同樣的配置和功能。對(duì)于每組調(diào)配系統(tǒng)，都由兩個(gè)輔料罐、兩個(gè)調(diào)配罐和各種進(jìn)出物料管道及清洗管道組成。主要控制對(duì)象在輔料罐上有二個(gè)進(jìn)水閥、二個(gè)輔料出口閥、一個(gè)輔料水泵和二個(gè)清洗回流閥。在調(diào)配罐上有四個(gè)進(jìn)料閥（分別為進(jìn)果汁、糖漿、輔料和水）、二個(gè)出料閥、一個(gè)出料泵和一個(gè)清洗回流閥。主要檢測(cè)點(diǎn)有輔料出料的流量信號(hào)、四個(gè)罐的溫度及液位信號(hào)以及故障信號(hào)等。
�。�2）原料系統(tǒng)：為原料的調(diào)配系統(tǒng)。由一個(gè)熱水系統(tǒng)、二個(gè)糖水混合罐、一個(gè)糖漿攪拌罐、一個(gè)果汁加料罐和二個(gè)果汁攪拌罐及其進(jìn)出物料管道和清洗管道組成。主要控制對(duì)象有二個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)熱水調(diào)節(jié)閥、一個(gè)熱水泵。在二個(gè)糖水混合罐上各有一個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)出料泵。在糖漿攪拌罐上有一個(gè)出料閥和出料泵、一個(gè)清洗回流閥和回流泵。在果汁加料罐上有一個(gè)吸料泵、一個(gè)出料泵和一個(gè)兩位三通閥。
在二個(gè)果汁攪拌罐上有各有一個(gè)進(jìn)料/出料閥和出料泵，還有一個(gè)清洗回流閥。主要
檢測(cè)點(diǎn)有流量信號(hào)、罐的溫度及液位信號(hào)以及故障信號(hào)等。
�。�3）CIP 清洗系統(tǒng)：為調(diào)配系統(tǒng)中所有罐和管道的清洗和消毒系統(tǒng)。由堿水 罐、酸水罐、消毒水罐、濃堿儲(chǔ)罐、濃酸儲(chǔ)罐和兩個(gè)加熱器及其相關(guān)管道組成。主要控制對(duì)象在堿水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二個(gè)出水閥和二個(gè)回流閥（對(duì)應(yīng)于 兩條清洗回路），還各有一個(gè)進(jìn)水閥。在堿水罐和酸水罐上各有一個(gè)循環(huán)泵。在濃堿儲(chǔ)罐和濃酸儲(chǔ)罐上各有一個(gè)加藥泵。在兩條清洗管路上各有一個(gè)進(jìn)水閥和出水閥，還各有一個(gè)循環(huán)泵和加熱器調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)中還有三個(gè)回流泵。主要檢測(cè)點(diǎn)有酸堿的電導(dǎo)率、流量信號(hào)、管路的溫度信號(hào)以及故障信號(hào)等。
2、控制流程
系統(tǒng)有三組功能相同調(diào)配裝置，可獨(dú)立運(yùn)行，但公用一個(gè)原料系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)。在管路不沖突的情況下，調(diào)配和清洗可同時(shí)進(jìn)行。調(diào)配進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)配方，分別進(jìn)糖漿和果汁，再進(jìn)輔料和純水，然后進(jìn)行定時(shí)攪拌，需要時(shí)通過(guò)出料泵輸送去罐裝或包裝。當(dāng)某一套或二套調(diào)配裝置正在進(jìn)輔料、純水或攪拌或出料時(shí)，另一套調(diào)配裝置可以從原料系統(tǒng)進(jìn)糖漿和果汁。同時(shí)，
原料系統(tǒng)中的二個(gè)糖水混合罐根據(jù)糖漿攪拌罐的液位情況交替工作，保證糖漿的供應(yīng)。二個(gè)果汁攪拌罐也根據(jù)需要交替工作，以保證果汁的供應(yīng)不間斷。同時(shí)也保證了整個(gè)調(diào)配系統(tǒng)可以不間斷地供應(yīng)成品飲料。
清洗進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)操作人員指示的清洗方式和清洗選擇，分別或同時(shí)對(duì)調(diào)配系統(tǒng)的輔料罐和調(diào)配罐，原料系統(tǒng)的糖罐和果汁罐及其相關(guān)管道和物料管道進(jìn)行清洗。清洗方式有“堿洗=>消毒水洗”、“酸洗=>消毒水洗”、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”和“消毒水洗”四種，清洗選擇則有多達(dá)35 種，以保證每個(gè)料罐、每條管道都能根據(jù)需要清洗到位。
三、控制系統(tǒng)的構(gòu)成
1、系統(tǒng)配置框圖
控制系統(tǒng)由一臺(tái)西門子工控機(jī)（IL40）配以CP5611 通訊卡和WinAC 軟PLC為主站，以S7-200 系列的PLC 配以EM277 為從站,以西門子WinCC（視窗控制中心）為主站的人機(jī)界面，從站現(xiàn)場(chǎng)配TP27-10 觸摸屏為人機(jī)界面。圖1 為該系統(tǒng)的配置框圖
系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)
根據(jù)果蔬飲品調(diào)配系統(tǒng)設(shè)備的分布和工藝情況，調(diào)配和CIP 清洗是兩個(gè)獨(dú)立的工藝流程，本裝置的調(diào)配中共有三套設(shè)備（稱1#調(diào)配系統(tǒng)、2#調(diào)配系統(tǒng)和3#調(diào)配系統(tǒng)），它們工藝流程相同，設(shè)備和管道閥門都一樣，但它們公用一套原料加工設(shè)備（亦稱公用系統(tǒng)）。為此控制系統(tǒng)采用Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線方式，現(xiàn)場(chǎng)三套調(diào)配系統(tǒng)、一套CIP 清洗系統(tǒng)和一套原料系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制分別一套使用S7-200 系列PLC（CPU226），通過(guò)EM277 模塊，作為Profibus-DP 總線上的獨(dú)立從站。上位采用西門子工控機(jī)配WinAC 軟PLC 作主站[1]，以WinCC 為系統(tǒng)總控的人機(jī)界面，而現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)TP27-10 彩色觸摸屏可以監(jiān)控三套調(diào)配系統(tǒng)，CIP 清洗系統(tǒng)和原料系統(tǒng)各有有一臺(tái)TP27-10 彩色觸摸屏可以監(jiān)控，這樣的配置具有以下特點(diǎn)：
�。�、配置成本較低
２、從站可以不依賴于主站獨(dú)立運(yùn)行
�。�、可靠性高
４、易維護(hù)性
５、通訊速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)
�。丁U(kuò)展靈活
四、控制系統(tǒng)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)與自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)
總線通訊
PROFIBUS-DP 是主從結(jié)構(gòu)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，其最大站點(diǎn)可達(dá)126 個(gè)，最大通訊速率12M。WinAC 與S7-200 從站之間的通信是通過(guò)開(kāi)辟通信緩沖區(qū)進(jìn)行的。在WinAC 軟PLC 中，定義一塊I/O 區(qū)域?yàn)榕c從站交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，而在S7-200PLC中，則定義V 區(qū)域?yàn)榕c主站交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小可以選擇，但每個(gè)從站的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)最大為32 個(gè)字節(jié)的輸入和32 個(gè)字節(jié)的輸出。
需交換的數(shù)據(jù)量超過(guò)可定義緩沖區(qū)的最大限制
系統(tǒng)中每個(gè)從站PLC 與主站PLC 之間有許多數(shù)據(jù)交換，而5 個(gè)從站之間的交換數(shù)據(jù)也是通過(guò)主站進(jìn)行的，因此，各32 個(gè)字節(jié)的輸入/輸出緩沖區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究和分類，一類是溫度、液位等模擬量數(shù)據(jù)共有54 個(gè)之多，每個(gè)數(shù)據(jù)需兩個(gè)字節(jié)，共需108個(gè)字節(jié)，但這類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高。另一類是泵閥的狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)、中間位等，這類信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)量也不少，但由于是開(kāi)關(guān)量，因此其所占的字節(jié)數(shù)并不多。對(duì)前一類數(shù)據(jù)，采用循環(huán)發(fā)送、定時(shí)讀取刷新的方式，輸入/輸出緩沖區(qū)只用了4 個(gè)字節(jié)。而對(duì)于后一類字節(jié)所占不多的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)直接傳輸?shù)?BR>方式，以保證信號(hào)刷新的實(shí)時(shí)性。
WinLC 組態(tài)及編程
用STEP 編程軟件組態(tài)軟PLC 主站和EM277 從站配置，并對(duì)主機(jī)編程。該程序主要是處理主站上的人機(jī)界面WinCC 與實(shí)時(shí)控制的從站PLC 之間的數(shù)據(jù)信息交換、報(bào)警事件的處理、三個(gè)調(diào)配系統(tǒng)從站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行與互鎖、原料系統(tǒng)從站與調(diào)配系統(tǒng)從站之間的運(yùn)行協(xié)調(diào)、CIP 清洗系統(tǒng)從站與另外四個(gè)從站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行和一些數(shù)據(jù)及狀態(tài)的共享等等，圖2 為WinLC 主機(jī)配置組態(tài)。
圖2 WinLC 主機(jī)配置組態(tài)
Fig.2 Configuration on WinLC master station
上位機(jī)WinCC 組態(tài)
用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)友好的用戶界面和監(jiān)控畫面，通過(guò)WinLC 主機(jī)，向Profibus-DP 上的EM277 從站(S7-200PLC)發(fā)送命令，同時(shí)讀取從站PLC 的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、模擬量采樣數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等。根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)調(diào)配系統(tǒng)裝置的運(yùn)行情況，包括流量、罐內(nèi)液位、溫度、酸堿的電導(dǎo)和泵閥的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警信息，系統(tǒng)即顯示明顯的警示畫面，通過(guò)WinLC主機(jī)向各從站PLC 發(fā)出停機(jī)命令，保存并記錄下故障發(fā)生的時(shí)間、方位和原因等原始數(shù)據(jù)。程序還可以根據(jù)用戶要求保存所需要的歷史數(shù)據(jù)，定時(shí)、實(shí)時(shí)（如故障信息）或按操作鍵打印所需的數(shù)據(jù)和信息。圖3 是用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的果蔬飲品調(diào)配系統(tǒng)的用戶監(jiān)控畫面。
圖3 用戶監(jiān)控界面
Fig.3 Monitoring interface
從站PLC 程序
用STEP7 Micro/WIN 軟件設(shè)計(jì)從站PLC（S7-200 系列）程序。5 個(gè)從站中3個(gè)調(diào)配系統(tǒng)從站程序相同。由于采用Profibus-DP 總線結(jié)構(gòu)，因此從站PLC 程序無(wú)須考慮與主站的通信問(wèn)題，只需在已指定的輸入/輸出緩沖區(qū)中交換數(shù)據(jù)即可。同時(shí)，該從站PLC 還可以脫離主站而單獨(dú)運(yùn)行。因此從站有下列單獨(dú)編程的程序：調(diào)配工作程序：該程序由輔料罐自動(dòng)運(yùn)行程序、調(diào)配罐自動(dòng)運(yùn)行程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序和狀態(tài)及故障檢測(cè)程序等組成。原料系統(tǒng)工作程序：該程序由熱水系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行程序、糖漿罐自動(dòng)運(yùn)行程序、果汁罐自動(dòng)運(yùn)行程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)
據(jù)交換子程序和狀態(tài)及故障檢測(cè)程序等組成。
CIP 清洗工作程序：該程序由清洗準(zhǔn)備程序、“堿洗=>消毒水洗”程序、“酸洗=>消毒水洗”程序、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”程序、“消毒水洗”程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序、狀態(tài)及故障檢測(cè)程序和PID 調(diào)節(jié)中斷子程序等組成。
系統(tǒng)的靈活性和可靠性
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使從站PLC 具有較大的獨(dú)立性，調(diào)配系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)可以作為兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)互不依賴地運(yùn)行。三個(gè)調(diào)配從站之間關(guān)系也是獨(dú)立的。用戶可以根據(jù)需要在總線上方便地增加或減少一個(gè)或數(shù)個(gè)調(diào)配從站，也可以將CIP 清洗系統(tǒng)用到其他設(shè)備的CIP 清洗中去。萬(wàn)一總線上主站或某個(gè)從站發(fā)生故障，其他從站 還能工作。
7、系統(tǒng)功能的擴(kuò)展
系統(tǒng)可以與其他應(yīng)用程序連接，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。從站數(shù)量可以擴(kuò)展，從站PLC 的模塊亦可以根據(jù)要求擴(kuò)展。甚至還可以擴(kuò)展一些新的功能：如設(shè)計(jì)配方的功能，自動(dòng)生成產(chǎn)品的配方，實(shí)現(xiàn)從配料、進(jìn)料到調(diào)配、出料的全自動(dòng)運(yùn)行。
五、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)是根據(jù)果蔬飲品調(diào)配工藝的特點(diǎn)，利用WinAC 可替代硬件作為主站這一特性，使用S7-200 系列的PLC 作為從站，采用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線，配以功能強(qiáng)大的WinCC 作人機(jī)界面。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理、靈活靠、性價(jià)比高，便于推廣和應(yīng)用。
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